張喜林 王嘯宇 彭 倩 鄒子強 王嘉賡

（1.核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室中國核動力研究設計院，四川 成都 610041；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

0 引言

反應堆設計分析涉及中子物理和熱工水力等多個專業(yè)。傳統(tǒng)反應堆設計優(yōu)化是由各專業(yè)單獨開展的。傳統(tǒng)方式存在以下不足：

（1）影響設計效率：雖然各專業(yè)均是單獨完成設計計算，但整體上很多問題的解決仍然需要迭代。由于對其他專業(yè)缺乏充分了解，基于人員溝通的迭代過程可能會引起不必要的反復迭代和設計周期的延長。

（2）影響設計經(jīng)濟性：雖然最終完成的反應堆設計可以達到既定的設計目標，但是由于各專業(yè)都采用了保守設計，導致反應堆設計整體累積的保守余量過大，雖然極大保證了安全，但需要以過度經(jīng)濟成本作為代價。

（3）在某些現(xiàn)象問題的分析能力上存在不足：受制于計算能力，目前各專業(yè)程序通常模型簡化程度較高；對某些反應堆關鍵現(xiàn)象尚未充分認識，或者相關模型尚未發(fā)展成熟；多物理耦合效應的現(xiàn)象難以通過現(xiàn)有單獨專業(yè)程序工具進行分析。這些都不利于挖掘設計余量和提升反應堆性能。

因此，開發(fā)高精度專業(yè)程序、拓展專業(yè)程序能力和開展多專業(yè)耦合是改善設計效率和設計經(jīng)濟性的必經(jīng)之路。這也是數(shù)字化反應堆的重要研究內(nèi)容。

本文首先介紹數(shù)字化反應堆統(tǒng)一耦合架構的典型特點，之后對國內(nèi)外耦合架構進行詳細論述和對比，并嘗試給出數(shù)字化反應堆耦合架構相關的研發(fā)建議。

1 統(tǒng)一耦合架構的典型特點

數(shù)字化反應堆中的多專業(yè)耦合計算平臺通常包含：（1）前處理模塊，具備CAD 建模、網(wǎng)格劃分、輸入卡生成等功能；（2）物理求解模塊，涵蓋熱工水力和粒子輸運等專業(yè)：（3）統(tǒng)一耦合架構，提供方法工具支持實現(xiàn)耦合；（4）后處理模塊，具備數(shù)據(jù)可視化和報告生成等功能。

統(tǒng)一耦合架構方案由耦合調(diào)度模型和數(shù)據(jù)傳遞模型組成。耦合調(diào)度模型用于定義程序的耦合調(diào)度方式。數(shù)據(jù)傳遞模型用于實現(xiàn)程序間不同類型數(shù)據(jù)的映射傳遞。

2 國內(nèi)外統(tǒng)一耦合架構

國際上統(tǒng)一耦合架構有程序耦合和平臺融合兩種方式。程序耦合，是指被耦合的程序可能基于不同的編程語言、軟件設計理念和時空離散方案開發(fā)的，需開發(fā)額外的程序耦合接口來支持統(tǒng)一接口理念和統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳遞模型。平臺融合，是指所有的物理應用都是基于統(tǒng)一的軟件開發(fā)架構（包括數(shù)據(jù)結構、輸入格式和可選用的時空離散方案等），經(jīng)用戶設置具體方案后由基礎開發(fā)架構自動實現(xiàn)程序間耦合控制和數(shù)據(jù)通信。

2.1 美國

2.1.1 VERA（CASL）

為改善輕水堆技術，美國創(chuàng)建了輕水堆先進仿真聯(lián)盟（CASL）。為了耦合不同專業(yè)求解器，CASL 搭建了反應堆建模仿真環(huán)境VERA。VERA 內(nèi)集成了中子物理、熱工水力、燃料棒性能分析和化學—力學—幾何效應分析等諸多專業(yè)程序。為耦合歷史遺留程序，VERA 早先基于LIME 開展耦合。之后，LIME 被重新設計為PIKE 并被整合到Trilinos 庫里。為實現(xiàn)求解器間數(shù)據(jù)傳遞，CASL 開發(fā)了開源通用數(shù)據(jù)傳遞工具包DataTransferKit。

VERA 典型的耦合開發(fā)實例是VERA 堆芯模擬器VERA-CS（中子物理程序MPACT+子通道程序CTF+化學分析程序MAMBA）和Tiamat（VERA-CS+燃料行為分析程序Bison）。

2.1.2 SHARP&MOOSE（NEAMS）

與CASL 項目不同，美國數(shù)值反應堆項目NEAMS是圍繞先進反應堆和核燃料循環(huán)系統(tǒng)。在NEAMS 項目中，美國阿貢國家實驗室和愛德荷實驗室分別研發(fā)了用于耦合已有程序的SHARP 架構和按統(tǒng)一架構開發(fā)程序并進行耦合的MOOSE 架構。

在SHARP 架構中，CouPE 用于耦合物理求解器，MOAB 庫提供通用網(wǎng)格/場數(shù)據(jù)格式，MBCoupler 實現(xiàn)非匹配網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)映射。SHARP 已融合中子輸運程序PROTEUS、譜元法CFD 程序Nek5000，正在融合結構力學程序Diablo。SHARP 架構支持顯式耦合和Picard 迭代算法。SHARP 架構中的典型耦合實例是PROTEUS 和Nek5000 的耦合。

基于LibMesh 和PetsC 等基本庫，開源多物理面向?qū)ο篑詈祥_發(fā)環(huán)境MOOSE 提供可拓展的編程架構，方便外部程序按照有限元方法離散求解和JFNK耦合迭代方法實現(xiàn)多物理耦合。LibMesh 庫提供統(tǒng)一的網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式。基于MOOSE 架構開發(fā)的程序有：燃料行為分析程序BISON、燃料微觀結構演化分析程序MARMOT、系統(tǒng)程序Relap-7（內(nèi)嵌子通道模型）、中子輸運程序RattleSNake 和CRUD 微結構模擬器MAMBABDM。經(jīng)封裝集成到MOOSE 中的程序包括：蒙特卡洛程序Okapi（對應OpenMC），CFD 程序Giraffe（對應Nek5000）。

目前，美國NRC 與NEAMS 項目組也在計劃合作搭建非水堆綜合性分析軟件包BlueCRAB。將系統(tǒng)程序TRACE 等NRC 所擁有程序封裝集成到MOOSE 架構中，并與MOOSE 架構內(nèi)與其他程序耦合。

2.2 歐洲

2.2.1 OpenFOAM

國際上開展了一系列基于開源有限體積法CFD程序OpenFOAM 的反應堆多物理耦合求解器開發(fā)工作，包括：

（1）瑞士PSI 牽頭完成GeN-Foam 求解器的開發(fā)。GeN-Foam 耦合了單相熱工水力、熱力學、多群中子物理、亞尺度有限差分燃料傳熱和1.5 維燃料棒行為等計算模型。GeN-Foam 采用半隱式Picard 迭代耦合方案。程序間數(shù)據(jù)映射是基于OpenFOAM 提供的網(wǎng)格單元體積加權算法。

（2）瑞典查爾莫斯理工大學開展了熱工水力模型（buoyantSimpleRadiationFoam）和多群中子擴散模型的耦合。

（3）意大利米蘭理工大學開發(fā)了熔鹽堆中子物理-熱工水力耦合求解器，用于熔鹽堆無保護單泵失效事故分析。熱工水力求解器采用OpenFOAM 自帶求解器；中子物理求解器采用單群和多群中子擴散模型以及離散縱標中子輸運模型。求解器采用6 步4 階ESDIRK 算法，采用Picard 迭代。

2.2.2 Supervisor 方案

歐盟先后啟動了NURESIM 計劃、NURISP 計劃和NURESAFE 計劃，來搭建歐洲多物理耦合模擬參考平臺NURESIM。

NURESIM 平臺的基礎是Salome（開源，數(shù)值模擬前處理/后處理/物理程序集成耦合）和URANIE（開源，不確定性分析）兩個平臺。Salome 平臺采用MED 庫（支持傳統(tǒng)網(wǎng)格和場數(shù)據(jù)）來統(tǒng)一不同求解器的輸入輸出并支持程序間數(shù)據(jù)映射，而耦合接口理念采用通用程序耦合接口理念ICoCo?；谏鲜隼砟?，歐盟完成的工作包括：

（1）西班牙UPM 完成COBAYA4 和COBRA-TF 的耦合，采用顯式耦合方案。

（2）英國Wood 公司完成蒙卡程序MONK 和子通道程序SUBCHANFLOW 的耦合。

（3）德國KIT 完成Serpent2-SUBCHANFLOW-TR ANSURANUS 的核熱力多物理耦合，采用半隱式耦合方案。

（4）德國KIT 完成系統(tǒng)程序TRACE 和CFD 程序TrioCFD 的耦合，并提出動態(tài)隱式附加源項方法（DIAS）。

（5）法國CEA 開發(fā)了MATHYS 多尺度熱工水力程序（系統(tǒng)程序CATHARE+子通道程序TrioMC+Trio-CFD），并將Supervisor 程序固化，耦合采用不動點迭代方案。

2.3 中國

2.3.1 JASMIN&JAUMIN&JCOGIN

面向高性能科學與工程計算，中國工程物理研究院自主研發(fā)了一套高性能科學與工程計算中間件。編程框架中間件可以支持結構網(wǎng)格（JASMIN）、非結構網(wǎng)格（JAUMIN）和實體組合幾何（JCOGIN）3 類數(shù)值模擬應用程序的快速開發(fā)。典型的開發(fā)實例是基于JAUMIN 框架的確定論中子輸運軟件JSNT-U、基于JCOGIN 框架的三維蒙特卡羅粒子輸運軟件JMCT。

目前只有JASMIN 框架提供聯(lián)邦計算功能來支持多物理耦合程序并行計算和并行程序間的程序通信，不同框架程序間的耦合和數(shù)據(jù)映射技術尚未明確提出。

2.3.2 CVR

中國數(shù)值反應堆原型系統(tǒng)CVR1.0是由中國科技部負責的“高性能計算”重點專項支持，項目周期為4 年（2017—2021 年）。面向E 級計算，CVR1.0 致力于搭建數(shù)值反應堆整體架構，提供多尺度多物理耦合所需工具，提供程序前后處理驗證確認所需的工具和技術。目前，CVR1.0 目前取得了以下進展：

（1）開發(fā)了子通道程序CVR-PASA、CFD 程序CVRPACA。

（2）開發(fā)了粒子模擬程序（分子動力學MISA-MD、蒙特卡羅MISA-KMC 和介觀速率理論MISA-RT）。

（3）解決掌握了多堆型精細建模所需的全堆芯統(tǒng)一建模與數(shù)據(jù)存儲映射技術、大規(guī)模并行環(huán)境下射線追蹤技術、適用于CPU/GPU 混合架構的特征線并行優(yōu)化技術，為特征線全堆芯中子物理程序ANT-MOC奠定技術基礎。

2.4 部分針對商業(yè)程序的架構

2.4.1 MPCCI

MPCCI是由德國Fraunhofer SCAI 開發(fā)的商業(yè)多物理耦合工具。目前，主流工業(yè)程序都提供接口支持MPCCI 耦合。

為支持MPCCI，每個程序需具備以下3 個層次：求解器程序代碼層（code layer）、MPCCI 接口代碼層（MPCCI layer）和并行MPI 層（MPI layer）。MpCCI 的調(diào)度程序是MpCCI CouplingEnvironment，提供耦合管理器，支持全局顯式耦合方法和隱式迭代耦合方法等耦合方法。MPCCI 支持不同線程上非匹配網(wǎng)格數(shù)據(jù)的相互映射，支持節(jié)點對節(jié)點（PP）、單元對單元（EE）和節(jié)點對單元（PE）。

2.4.2 preCICE

開源耦合庫preCICE由德國慕尼黑工業(yè)大學和德國斯圖加特大學聯(lián)合開發(fā)，是E 級計算科學軟件開發(fā)工具包xSDK 的一部分。

各程序提供的適配接口（adapter），通過鏈接pre-CICE 庫，具備以下功能：跨平臺使用，其Adapter 接口開發(fā)對程序代碼修改很小；支持TCP/IP 和MPI 兩種通信方式；支持最近鄰插值、基于徑向基函數(shù)的Black-box 映射等數(shù)據(jù)映射方法；耦合迭代算法方面，支持靜態(tài)、動態(tài)亞松弛方法、Anderson 加速、廣義Broyden 加速技術；支持時間插值。

3 結語

“程序耦合”統(tǒng)一耦合架構包括歐盟的Supervisor方案（核心是統(tǒng)一接口理念ICoCo+統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳遞模型MED）、美國的SHARP 架構、德國的MPCCI 工具和preCICE 庫以及法國的OpenPALM 庫。“平臺融合”統(tǒng)一耦合架構包括美國的MOOSE 架構、歐洲的OpenFOAM、中國的J 系列中間件（JASMIN/JAUMIN/JCOGIN）等。

自下而上統(tǒng)一耦合架構可以以“黑匣子”方式來將已有專業(yè)程序耦合在一起。而自上而下統(tǒng)一耦合架構則需要將專業(yè)程序按照其要求的方式來重新開發(fā)。自下而上架構的代碼開發(fā)量較少，可以較快地完成近期目標。目前有將專業(yè)程序都基于自上而下統(tǒng)一耦合架構開發(fā)的趨勢，從而更好地利用現(xiàn)代軟件工程、數(shù)值算法和高性能計算技術。然而，目前自上而下統(tǒng)一耦合架構方案眾多，一時難分伯仲。長期來看，仍是自下而上和自上而下架構共存的情況。融合不同框架是數(shù)字堆發(fā)展必須要解決的問題。

耦合接口方案和數(shù)據(jù)傳遞模型是耦合架構中的兩個主要內(nèi)容。耦合接口方案強調(diào)其通用性，致力于可以實現(xiàn)算符分離、Picard 迭代、JFNK 等耦合迭代算法及其松弛加速技術。數(shù)據(jù)傳遞模型則要能夠支持不同類型的物理程序計算數(shù)據(jù)（傳統(tǒng)網(wǎng)格、無網(wǎng)格、組合幾何等）在程序間可以有效傳遞，確保數(shù)據(jù)傳遞的連續(xù)性、守恒性和可適用大規(guī)模并行能力。各項目的耦合接口和數(shù)據(jù)傳遞方案各有所長，融合不同技術路線對于提升數(shù)字化反應堆性能和靈活性具有重要意義。